La communication par micro-ondes est omniprésente dans le monde moderne, avec des ondes électromagnétiques dans la gamme des dizaines de gigahertz fournissant une transmission efficace avec une large bande passante pour les liaisons de données entre les satellites en orbite terrestre et les stations au sol. Une telle communication sans fil ultra-haute fréquence est maintenant si courante, avec un encombrement résultant des bandes spectrales allouées aux différents canaux de communication, que les interférences et la compatibilité électromagnétique (CEM) sont de sérieuses préoccupations.
Les règles régissant la CEM imposent que les nouveaux équipements répondent à des exigences strictes concernant le blindage micro-ondes des composants et des systèmes. Cela entraîne une recherche de nouveaux matériaux à utiliser comme couches de revêtement, blindages et filtres dans les futurs dispositifs nanoélectroniques.
Protéger les appareils électroniques avec une barrière qui reflète simplement le rayonnement micro-ondes entrant ne fait que déplacer le problème de la pollution électromagnétique ailleurs. La recherche se concentre donc sur le développement de revêtements CEM qui absorbent plutôt que réfléchissent les micro-ondes, avec un accent pratique sur les couches de moins d'un millième de millimètre d'épaisseur.
Une équipe de physiciens dirigée par Philippe Lambin de l'Université de Namur en Belgique a découvert qu'un plan de graphène peut fournir un bouclier absorbant efficace contre les micro-ondes. Les résultats de l'étude, dont les principaux contributeurs sont Konstantin Batrakov et Polina Kuzhir, tous deux de l'Université d'État biélorusse à Minsk, sont publiés dans la revue Rapports scientifiques . Les huit auteurs font partie du Graphene Flagship, un consortium de partenaires académiques et industriels qui se concentre sur la nécessité pour l'Europe de relever les grands défis scientifiques et technologiques à long terme, efforts de recherche multidisciplinaires.
Lambin et ses collègues ont démontré que la conductivité de plusieurs couches de graphène s'additionne arithmétiquement lorsque de minces espaceurs en polymère les séparent. L'absorption maximale des micro-ondes dans la bande de communication Ka entre 26,5 et 40 GHz est obtenue avec six plans de graphène séparés par des couches de polyméthacrylate de méthyle (PMMA), un plastique transparent également connu sous le nom de verre acrylique.
Les barrières micro-ondes multicouches construites par des chercheurs basés à l'Université de Joensuu en Finlande commencent par une première couche de graphène déposée sur un substrat de feuille de cuivre par dépôt chimique en phase vapeur. Cette couche est ensuite recouverte d'un espaceur PMMA 600-800 nanomètres obtenu par spin coating, après quoi le cuivre est décapé avec du chlorure ferrique, et l'hétérostructure graphène/PMMA transférée sur un substrat de quartz. La procédure est répétée jusqu'à ce que le nombre requis de couches de graphène soit atteint.
Une seule couche de graphène peut absorber jusqu'à 25 % du rayonnement micro-ondes incident, ce qui est beaucoup pour un matériau d'un atome d'épaisseur. Avec un arrangement multicouche graphène/PMMA, l'absorption monte à 50 %. Ceci peut être compris en analysant la transmission et la réflexion d'une onde plane à l'interface entre deux milieux diélectriques, lorsque l'interface contient une couche conductrice infiniment mince. De cette façon, les chercheurs ont pu optimiser leurs structures graphène-PMMA pour une absorption maximale, avec les résultats confirmés par des tests électromagnétiques rigoureux.
De plus, note Lambin, il y a l'interface entre le matériau de blindage et l'air à considérer...
"Nous avons constaté que la conductivité statique du graphène est proche de la valeur qui relie les champs magnétiques et électriques dans tout rayonnement électromagnétique se propageant dans l'air. Grâce à cette heureuse coïncidence, le graphène est un matériau idéal pour absorber les ondes radio, protégeant ainsi les appareils électroniques sensibles.
L'idée d'utiliser des multicouches graphène/diélectrique pour l'absorption des ondes électromagnétiques n'est pas nouvelle. Par exemple, il y a quelques années a été publiée une proposition théorique pour une multicouche absorbante ultra-large bande fonctionnant dans la région du térahertz, bien supérieure à la bande de communication Ka discutée ici.
Un bouclier térahertz multicouche serait une affaire complexe, avec ses plans de graphène modelés à l'échelle du micron afin de générer des résonances plasmoniques de surface - des oscillations dans les électrons qui se propagent le long des interfaces entre les différentes couches de matériaux. La barrière micro-ondes imaginée par l'équipe Graphene Flagship est relativement simple en comparaison, avec des avantages en termes de fabrication et d'évolutivité.
Dans les applications du monde réel, Les multicouches graphène/PMMA nécessitent une protection contre les agents chimiques et mécaniques externes. Le substrat de quartz doit donc être tourné vers l'extérieur, et être combiné avec un matériau plus doux. Le choix et l'épaisseur du matériau de surcouche utilisé sont des paramètres supplémentaires qui vont influencer l'absorbance des micro-ondes.
L'évolutivité du processus augmentera considérablement si des empilements de graphène à quelques couches sont déposés en une seule étape, au lieu d'empiler des monocouches de graphène avec leurs navettes en PMMA. En outre, tout processus qui augmente la conductivité du graphène réduira le nombre de plans atomiques nécessaires pour maximiser le niveau d'absorption des micro-ondes.
